（电力电子与电力传动专业论文）基于标准数字cmos工艺的高精度基准电压源的研究.pdf

a b s t r a c t v o l t a g er e f e r e n c ei s a ne s s e n t i a ls u b c i r c u i t r yi nv l s ia n dl o t so fe l e c t r o n i cs y s t e m s i ti s w i d e l yu s e di nm a n yc i r c u i t s ，s u c ha sh i g hp r e c i s ec o m p a r a t o r s ，a da n dd ac o n v e r t e r s ，d r a m s ， f l a s hm e m o r yc i r c u i t s ，a n do t h e ra n a l o go rm i x e dc i r c u i t s t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pa v o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t r yt h a ti sc o m p a t i b l ew i t hd i g i t a lc m o st e c h n o l o g y a n dc a nb ei n t e g r a t e d i n t oas y s t e mo nac h i p ( s o c ) l o wt e m p e r a t u r ed r i f ta n dh i g l ls t a b i l i t yo fo u t p u tv o l t a g ei so fk e yi m p o r t a n c et oa ni d e a l v o l t a g er e f e r e n c e t h e ya r ea l s ot h ef o c u so f t h i sp a p e r s of a r , t h eb a n d g a pr e f e r e n c ei st h em o s tp o p u l a rc i r c u i t ，w h i c hs u c c e s s f u l l ya c h i e v e st h e r e q u i r e m e n t sm e n t i o n e d a b o v ei te x h i b i t sb o t hh i g hs t a b i l i t ya n dl o w t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ，a l s o h a sl o wn o i s ea n ds i m p l et o p o l o g y i nt h i sp a p e r , ap r e c i s ec m o sb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e w h i c hu s e st h ed i f f e r e n c eo fm o ss o u r c e - g a t e v o l t a g e t o p e r f o r m e f f i c i e n tc u r v a t u r e c o m p e n s a t i o n i sd e s c r i b e di nd e t a i l ，w h i c hi sc o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r dd i g i t a lc m o s p r o c e s s t h e d e p i c t i o ni sf r o mt o p o l o g yt op h y s i c a ld e s i g nf i n a l l y , i th a sb e e nt r a n s f o r m e d t os t a n d a r dg d si i f o r m a td o c u m e n tt ob e i m p l e m e n t e d t h e h s p i c es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w sa t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n to f11 p p r r d cf r o m 一4 0 c t o1 0 0 ca n do u t p u tv o l t a g ev a r i a t i o no fl m vf o rs u p p l y v o l t a g er a n g ef r o m8v t o1 8vd u et on o v e lc u r v a t u r ec o m p e n s a t i o n ，t h ec i r c u i ts t r u c t u r eo f t h e p r o p o s e dr e f e r e n c e i ss i m p l ea n db o t hc h i pa r e aa n dp o w e r c o n s u m p f i o n a r cs m a l l k e y w o r d s c m o sa n a l o g c i r c u i t ，v o l t a g er e f e r e n c e ，b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ， p o w e r - s u p p l ys e n s f f i v i t y , t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 基准电压源或电压参考( v o l t a g er e f e r e n c e ) 通常是指在电路中用作电压基 准的高稳定度的电压源。随着集成电路规模的不断增大，尤其是系统集成技术 ( s o c ) 的发展，它也成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统 中不可缺少的基本电路模块。 在许多集成电路和电路单元中，如数模转换器( d a c ) 、模数转换器( a d c ) 、线 性稳压器和开关稳压器，都需要精密而又稳定的电压基准在数模转换器中，d a c 根据呈现在其输入端上的数字输入信号，从d c 基准电压中选择和产生模拟输出； 在模数转换器中，d e 电压基准又与模拟输入信号一起用于产生数字化的输出信号。 在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把基准电压源用作系统 测量和校准的基准。因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它 直接影响着电子系统的性能和精度近年来对它的研究也一直很活跃，运用双极 型工艺制成的基准电压源已能达到相当高的性能并口精度 与之同时，二十世纪七十年代以来，由于对m o s 晶体管的基本理论和制造技 术的深入研究，加上电路设计和工艺技术的进步，m o s 模拟集成电路得到了迅速发 展。其中c m o s 电路更是凭其工艺简单、器件面积小、集成度高和功耗低等优点， 成为数字集成电路产品的主流。在这一背景下，为了获得低成本、高性能的模拟 集成电路产品，基于标准数字c m o s 工艺的各种高精度模拟电路受到了人们的关注， 并成为集成电路技术中的一个重要研究领域而各种高精度基准电压源由于其在 数字模拟系统中的广泛应用，更加具有广阔的开发与应用前景因此，本文将基 于标准数字c m o s 工艺的高精度基准电压源作为研究对象，具有一定的先进性和代 表性 本章作为绪论部分，主要论述以下几方面内容： 基准电压源的分类及特点 基准电压源的性能及应用 本文的选题意义和研究内容 第l 页 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节基准电压源的分类及特点 理想的基准电压源应不受电源和温度的影响，在电路中能提供稳定的电压，“基准”这一 术语正说明基准电压源的数值应比一般电源具有更高的精度和稳定性。 一般情况下，可用电阻分压作为基准电压，但它只能作为放大器的偏置电压或提供放大 器的工作电流。这主要是由于其自身没有稳压作用，故输出电压的稳定性完全依赖于电源电 压的稳定性。另外，也可用二极管的正向压降作为基准电压，它可克服上述电路的缺点，得 到不依赖于电源电压的恒定基准电压，但其电压的稳定性并不高，且温度系数是负的，约为 一2 m v o c 。还可用硅稳压二极管( 简称稳压管或齐纳管) 的击穿电压作为基准电压，它可克 服正向二极管作为基准电压的一些缺点，但其温度系数是正的，约为+ 2 m v ，c 。因此，以上 几种均不适用于对基准电压要求高的场合。于是，在这种迫切的市场需求和设计者的不断努 力下，高精度的基准电压源应运而生，并且种类繁多。 从工作原理的角度来看，主要分为三类：标准电池、温度补偿基准稳压管和集成电路固 体基准电压源( 简称集成基准电压源) 。 一标准电池 标准电池可分为饱和型和非饱和型两种。 饱和型标准电池输出电压为1 , 0 1 8 v ，长期稳定性能达到1 p v ，年( 即1 p p r r d 年) ；但温度 系数较大，在接近2 0 。c 时，总温度系数约- - 4 0 9 v p c 。由于饱和型标准电池正负级的温度系 数不同，在电极间温差仅o 0 0 1 。c 时，就能引起0 3 1 t v 左右的电动势变化，因此要求使用中 保持正负级的温度均衡。 非饱和型标准电池的温度系数较小，在接近2 0 。c 时约为一5 u v 尸c 左右；但长期稳定性 较差，年变化大于2 0 4 0 “v 侔。 以上两种电池都有温度特性的滞后效应，且不能满载使用，但因其噪声低、电动势稳定、 制造方便、造价便宜，因此在大多数只要求短期稳定性的精密电源中有广泛的应用。 二温度补偿基准稳压管 温度补偿基准稳压管的温度系数可低达5 9 v pc ，且体积小、重量轻、结构简单便于集成； 但存在噪声大、负荷能力弱、稳定性差以及基准电压较高、可调性较差等缺点。这种基准电 压源不适用于便携式和电池供电的场合。 第2 页 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 三集成基准电压源 运用半导体集成电路技术制成的基准电压源种类较多，如深埋层稳压管集成基准源、双 极型晶体管集成带隙基准源、c m o s 集成带隙基准源等。“带隙基准源”是七十年代初出现的 一种新型器件，它的问世使基准器件的指标得到了新的飞跃。从这些基准源中可获得1 2 2 v 至1 0 v 中的各档基准电压。由于建立在非表面的带隙机理上，因此比基于表面击穿的稳压管 器件更加稳定，温度系数可达2 u v p c ( 即2 p p m p c ) ，输出电阻极低，更重要的是它无需挑 选就能实现优于6 0 p p m 的长期稳定性。由于带隙基准源具有高精度、低噪声、低温漂等许多 优点，因而广泛应用于电压调整器、数据转换器( a d 、d a ) 、集成传感器、微功耗运算放 大器等，以及单独作为精密的电压基准件， 从电路的连接方式角度来看，基准电压源主要分为两类。一类是三端式( 输入、输出和 公共引出端) ，又称串联式基准源。这种基准源的主要优点是静态电流比较低，可预先调整好 标准输出电压，输出电流可以很大，而又不损失精度。另一类是二端式，又称并联式基准源。 这种基准源的主要优点是工作极性比较灵活，但对负载要求比较严格，有时只能提供非标准 电压。 第3 页 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第二节基准电压源的性能及应用 一基准电压源的主要性能指标 1 精度、温漂和时漂 基准电压源的精度通常用基准电压的绝对误差和相对误差来表示。在诸如d a c ( a d c ) 等需要绝对测量的系统中，系统的精度完全依赖于基准源的精度。如果基准电压产生+ 1 的 误差，则d a c 的模拟输出增加1 ，而a d c 的数字输出减少1 。这是因为d a c 产生的模 拟量输出与基准电压和输入数字量的乘积成正比，而a d c 产生的数字量输出则是与模拟信号 相对于基准电压的比率成正比，即与基准电压成反比。在高分辨率的数据采集系统中，尤其 是必须工作在很宽的温度范围的情况下，必须使用高精度、高稳定性的基准源，因为任何a d c 和d a c 的精度都受基准源的漂移和长期稳定性的影响，这时基准电压源的精度必须优于a d c 和d a c 的精度。 基准电压源的温度漂移特性( 即温漂) 通常用相对温度系数来表征，单位是p p m c ，表 示由于环境温度变化而引起的输出电压的漂移量，它是衡量基准电压源质量等级的关键性技 术指标。 基准电压源的精度除了随温度漂移外，还随时间漂移( 即时漂) ，通常用长期稳定性来表 示。精密模拟器件的长期稳定性不能用经历时间按线性关系外推，而是按经历时间的平方根 关系计算的。即器件的前1 0 0 0 小时的性能并不能代表后】0 0 0 小时的性能。 2 噪声 基准电压源的噪声一直没有统一的表示方法。对于低频测量系统，常用噪声峰峰值v p p 表示，而对于高频测量系统，又常用噪声的有效值v r u s 来表示。提高分辨率或降低满度基准 电压值都会提高对基准源噪声的要求，因此，对于高分辨率系统的电压基准，为了防止精度 不够必须选择低噪声的电压基准电路。 3 负载调整率与电源电压调整率 负载调整率( 灵敏度) ，定义为输出电压自身的相对变化与负载电流相对变化的比值。为 了保证在负载端得到准确的基准电压，通常在基准电路输出级加缓冲放大电路，而运算放大 器的使用使得基准电压源的输出阻抗成为频率的函数。 第4 页 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 电源电压调整率( 灵敏度) ，定义为输出电压自身的相对变化与输入电压相对变化的比值。 对于输出级带运算放大器的基准源，电源电压调整率随频率增加而降低，在直流和低频情况 下，这种误差很容易被噪声所掩蔽。 而对于使用者来说，最关心的还是输出电压自身的稳定性。不论是何种原因促使输出电 压变化，都可以归结为电压稳定度这参数，它定义为输出电压自身的相对变化。 二基准电压源的应用 为了满足各种应用场合的要求，模拟集成电路制造商推出了许多种类的集成基准电压源。 从工作原理的角度来看，设计基准电压源晟关键的问题是精度高和温漂小。 为了实现高精度，通常都利用硅半导体材料本身所固有的特征电压作为基准电压，但由 于硅半导体材料对温度敏感，所以为了解决温度漂移问题，通常又选择一种与基准电压的温 度系数极性相反但绝对值相近的器件或电路，使两者结合起来，相互温度补偿，使总体温度 系数趋近于零。 目前，像其他模拟集成电路一样，基准电压源也朝着缩小外形尺寸、减小功耗、降低成 本和提高性能的趋势快速发展。相比之下，带隙基准电压源由于其在电源电压、功耗、长期 稳定性等方面的优势，因而得到了更广泛的应用，除了数模( 模数) 转换器、电压调整器等 模拟器件外，通讯系统及电池供电的便携式设备中，都需要具有较低电压的精密基准电压源。 第5 页 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第三节本文的选题意义和研究内容 一本文的选题意义 高密度数字集成制作技术的突破结合e d a 的成就，使得单片数字系统集成已成为现实， 研究能直接与自然界物理电信号联系的完整意义上的系统集成芯片已成为研究者着重关注的 目标。 完整意义上的系统集成技术的核。t h , 是模拟电路系统与数字电路系统的兼容集成，实际上 就是利用“电路结构”和“制作工艺”两个可变量的调整，使得完整系统能统一集成。显然 成本最低的是采用标准数字电路制作工艺，同时又能兼容制作集成模拟电路。这些条件对当 今系统集成中模拟电路的发展提出了一系列的新要求：低电压、低功耗、高速化。从低功耗 及高密度集成的角度来看，c m o s 电路结构形式最佳，因此c m o s 已成为目前的主流制作工 艺。这也就提示：发展c m o s 方式的模拟电路已成为系统集成研究的一个重要方向。 鉴于此，本文选择基于标准数字c m o s 工艺的高精度基准电压源作为研究对象，是一次 符合模拟电路发展方向的有价值的尝试和探索。同时，随着s o c 时代的到来，将基准电压源 作为一种重要的可复用基本芯核( 口c o r e ) 进行设计研究，对于提高系统设计的效率和成功 率，充分体现s o c 中“口复用”的重要思想，具有十分积极的现实意义。 二主要研究内容 1 明确设计方向和设计难点，通过对国内外现有各种集成基准电压源的特点和性能的比 较，结合设计目标，确定若干个可以在微芯片上实现的基准电压源的基本电路结构，形成软 芯核，使之能支持多种专用芯片的设计； 2 利用选定的上华0 8 u m 工艺线的器件模型，对所确定的电路进行设计。通过反复进行 h s p i c e 仿真模拟，使电路性能达到所要求的指标，确定电路和器件的最佳结构和参数，完成 1 2 个固芯核的设计； 3 根据所选定工艺线的设计规则，运用v i r t u o s o 等e d a 工具，给出完整的物理版图 设计，从而得到可以在微芯片上实现的硬芯核，并对所得硬芯核的性能进行提取验证，最后 通过实际流片来验证硬芯核的正确性，完成设计。 第6 页 浙江大学硕士学位论文 第二章带隙基准电压源的研究现状 零温度系数的基准电压源，是人们在电子仪器和精密测量系统中长期追求的 一种基本部件。传统的基准电压源是基于晶体管或稳压管的原理制成的，其电压 温漂在m y 级，电压温度系数高达1 0 - 3 一1 0 _ 4 ，根本无法满足现代电子测 量的需要。 随着带隙基准电压源的问世，上述愿望才变为现实带隙基准电压源由于其 在电源电压、功耗、长期稳定性等方面的独特优势，一直为设计师所研究和关注， 因而得到了更广泛的应用 在带隙基准电压源电路的发展过程中，双极型电路最为成熟，由于采用了带 隙基准或齐纳击穿电压作为稳定的电压单元，使其在精度和稳定性方面都达到了 相当高的水平而在m o s 电路中，由于器件的选择有限，而且器件的基本参数与 工艺参数都对温度有着强烈的依赖关系，给电路设计带来了一定的困难。但是， 由于m o s 电路，特别是c m o s 电路的低功耗、高噪容、高集成度和高抗干扰等独特 优点，以及其高速问题的逐步解决，使得c m o s 技术得到了迅猛发展，相继出现了 电流密度比补偿型、弱反型工作型和多晶硅栅功函数差型等多种c m o s 集成带隙基 准电压源，并且随着电路结构的不断改进和新技术的开发应用，其性能也在不断 提高研究这些电压源的电路结构，可以从中得到许多启示，并对以后的电路设 计起到重要的指导意义 本章主要从以下四方面阐述带隙基准电压源的研究现状： 带隙基准电压源的基本原理 传统的带隙基准电压源 现有的c m o s 带隙基准电压源 c m o s 带隙基准电压源的技术进展 第7 页 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 第一节带隙基准电压源的基本原理 一原理简介 2 0 世纪7 0 年代初，维德拉( w i d l a r ) 首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙基 准电压源。所谓能带间隙，是指硅半导体材料在热力学温度为零度( o k ) 时的带隙电压，其 数值约1 2 0 5 v ，用符号o 表示。带隙基准电压源的基本设计思路，就是利用晶体管基射结 电压差的正温漂去补偿晶体管基射结电压的负温漂，从而实现零温漂。 由恒流源供电的晶体管，其基射结电压p k 随温度升高而减小。但是，制作在一块集成电 路上的两个相同类型的晶体管，如果两者的恒定电流密度的比值不等于1 ，那么，它们的p 麓 之差却是随温度升高而增大。如果将上述的和这个相加，就能实现温度补偿。 理论指出，当这个相加的电压之和等于硅半导体材料的带隙电压( 或外推电压) 时，温度系 数为零，带隙基准电压由此得名。因为它不使用工作在击穿状态下的齐纳稳压管，所以其噪 声电压很低。同时，受电源电压变化的影响很小，因此，带隙基准源受电源电压变化的影 响也很小。这就使它具备了高稳定度、低温漂、低噪声的主要优点。 二晶体管基射结电压 如图2 - - 1 ( a ) 所示，如果忽略晶体管基极电流l ，则其集电极电流，。等于发射极电流，。， 它们的大小可由下式给出 ，。= ，。p g 加 ( 2 1 ) 式中i 。为晶体管发射极反向饱和电流，它的大小与发射极面积成正比，与掺杂浓度成反 比。 令巧= k t q ，由上式可得 = l n ( i 。i 。) ( 2 2 ) 其中 。等 。， 第8 页 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 ( a ) 图2 1晶体管基射结电压及其温度特性 式中a e 一晶体管发射极面积 d 。一基区电子扩散系数 一基区宽度 6 一基区杂质浓度 由于彳e 、q 、n b 均与温度无关，可设 b ：堕 6 ( b ) 将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) ，再根据爱因斯坦关系式以= ( k t q ) u 。，得 ( 2 4 ) ，。：b 坚以n ? ：f 和。n ； ( 2 5 ) g 式中n ；为硅本征载流子浓度，其值 ，2 = c t e x p ( - v s 。v r ) ，c 是与温度无关的常数； 以为硅的电子迁移率，其值z 。= d t 一，其中y 是与基区掺杂浓度有关的参数，d 是与温 度无关的常数。 联立解方程( 2 2 ) 、( 2 5 ) ，得 = l n 【，。r ”e e x p 眈。 ( 2 6 ) 第9 页 江 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 式中h = 4 一y ，e = 1 b 。c d 。 式( 26 ) 中，i 。与温度有关，设其关系为 1 。= g t ” ( 2 7 ) 式中g 、v 均为常数。 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) ，得 p 矗“名。一 ( 日一v ) l n t i n e g ( 28 ) 上式即为晶体管基射结电压f 与温度t 的关系式。式中( h v ) l n t 项与温度有关，并 通过对数关系反映出来，其变化不显著：而吩= k t q 项与温度成正比。由此可见，大 体上随温度减小而线性增大。当线性外推到绝对零度时，达到硅的带隙电压值 0 2 1 2 0 5 v ，如图2 - - 1 ( b ) 所示。 如果设法获得一个正比于绝对温度( p r o p o r t i o n a l t o a b s o l u t et e m p e r a t u r e ，缩写为p t a t ) 的电压r 迭加于上，并巧妙地补偿和k o 之间的差值，便可得到基本上不随温度 变化的总电压，如图2 2 所示。 图2 - - 2 与“r 迭加原理图 第1 0 页 + k 略 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 三。，的获得 我们知道，两个晶体管的基射结电压差e 具有正的温度系数，把它作为图2 2 中的 巧发生器，再适当加权( 即比例常数k ) 与迭加，即可实现图2 - - 2 中与n r 迭加 的设想。因此，该带隙基准电压源的核心电路是y 矗。 第1 1 页 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 一基本电路 第二节传统的带隙基准电压源 图2 - - 3 基本的带隙基准电压源电路 如图2 3 所示，基准电压从q 3 的集电极引出，其表达式为 根据晶体三极管的原理 式中k 一玻尔兹曼常数 g 一电子电量 丁一热力学温度( 绝对温度) = 3 + 2 q v m i c l = i “e 7 q v s 2 i e 2 = i j 2 e ” y r e f ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 因为，q i 、q 2 的几何尺寸完全相同，所以i “与l 2 相等，将式( 2 1 0 ) 与( 2 1 1 ) 相除得 对式( 2 1 2 ) 两边取对数，整理后得 ，。，t ：。亭l 一z 第1 2 页 ( 21 2 ) 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 ：。一2 ：坚l n 皇 ( 2 1 3 ) qc 2 从电路上看，a 正好是电阻r 3 上的压降 e = r 3 ，。2 如果晶体管的值很高，可以忽略，6 的影响，认为t 2 = 。2 。 于是 ( 2 1 4 ) ：础z 厶品z t ：。惫 ( 21 5 ) 将2 表达式代入式( 2 9 ) 得 = ，+ 等等，n 每 埔， 在电路中，电阻r - 和r 2 上的压降近似相等，都等于减去一个p k ，所以 代入式( 2 1 6 ) 得 d i 2 = ，。i 。2 = r 2 r l 2 。+ 等等h 鲁 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 这就是基本的带隙基准电压表达式。式中第一项具有负的温度系数，第二项具有正的温 度系数，适当地选择电阻比值，可以使正、负温度系数互相抵消，从而实现零温度漂移。 将式( 2 8 ) 进行变换( 变换过程略) ，可得的近似表达式 因此可得 吨( t 一舟。 ( 2 1 9 ) = - 一翔+ 。丢+ 等等n 鲁 c z z 将p 赫对温度求导数，即是它的温度系数 第1 3 页 浙江大学硕士学位论文 第二章带隙基准电压源的研究现状 鸶t 坠= 簪t + 簪t 一寺矿g u + 寺。+ 惫r 軎，n 鲁 c z z ， aa0l以 ，g 月， 令簪一o ，脯 v g o = 。+ 惫等k 鲁 z z ， 当e o ( t = t o 时) 与月2 r ，吩。l n ( r 2 r 。) 之和等于硅半导体材料的外推禁带宽度电 压时，基准电压具有零温度系数。 需要说明的是：这里选用晶体管的发射结来代替硅二极管，是因为将基极和集电极短接 后，集电结压降v b c = 0 ，硅管呈饱和状态。利用集电极电流c 的恒流特性，可提高p ，肛f 的 稳定性。该电路基准电压低，温度补偿只决定于电阻比和晶体管的面积比1 ，而与电阻的绝 对值及其他参数无关。因此，可以不受电阻温度系数的影响，保持良好的温度稳定性。同时， 易于调整设定，只要改变电阻比或晶体管的数目，则可得到不同的基准电压值。 二两管式电路 y f 图2 4 两管式带隙基准电压源电路 第1 4 页 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 如图2 - - 4 所示，q l 、q 2 两管的发射极面积不等，q 2 比q l 的大，假设其比值为l o ：1 ， 它们的基极连在一起。o 。、q z 分别由q ”q a 组成的镜像电流源做集电极有源负载，两管集电 极电流相等。但因q ，、q 2 的射极周长比不同，所以两管的实际电流密度以和j 2 也就不等， 而且与发射极周长成反比。发射极电流密度不同，两管的e 也就不同。它们的p k 电压之差 加在电阻r l 上，值由下式求出： = 等i n 万j l c z z s ， 口 电阻r 2 中流过的电流是q 】和q 2 的电流之和。两管电流相等，所以流过r 2 的电流是r 的两倍，流过r i 的电流，。2 为： t 2 = a r 1 ( 2 2 4 ) ，。i = ，。2 = y 蜀 ( 2 2 5 ) z = r ：( ，。- + 。：) = 2 百r 2a ：2 生旦1 n j _ l( 2 2 6 ) r lqj 2 该组态的基准电压值呈现在q l 和q 2 的基极上，它等于q 1 的p k 与2 之和 = - + 2 = 。+ z 鲁等，n 去 c z z ， 显然式( 2 2 7 ) 第一项具有负温漂，第二项具有正温漂，它们之和存在着零温漂的条件。 如果p k l 取0 6 5 v ，第二项计算结果为0 6 v ，于是p 备= 1 2 5 v 。当q 和q z 在电流密度比决 定之后，每管流过的电流只与r - 的电阻值有关，而基准电压只与r j r 。的比值有关。上面得 出的基准电压值与硅半导体材料的带隙电压o ( 1 - 2 0 5 v ) 是很接近的。两管式带隙基准源 中，q ，、如的集电极电流可以相同，也可以不同，它们的电流可以按不同的比例组合，最后 以电流密度比决定e ，而以电流比决定2 ，这样2 的表达式可以变成 第1 5 页 浙江大学硕士学位论文 第二章带隙基准电压源的研究现状 ：= ( 每+ ， 鲁坚qm i j l ( 2 2 8 ) 邪米v 日明表还瓦们米用甄2 1 9 j 阴也似表不 ”。( t 一孙丢 z 。， 则有 2 - + ： 吨去。吨) + 睁t 腿i rk g t 恤i j l 。 将 对温度t 求导数， 鲁= 专。一) + f 量1 , 2 + ， 鲁等k 万j 1 c z 。， 令簪- o ，则 = 。+ ( 每腿i rk 。t ot n 万j 1 c z s z ， 式( 2 3 2 ) 右边是t = t o 时的基准电压，它正好等于硅半导体材料的带隙电压值，它为矿玉 与前述带隙基准表达式相比，在对数项中的电阻比没有了，取而代之的是精度更高的电 流密度比，所以基准电压的精度更高了。同时通过适当配置电阻，可以选定基准电压为任意 需要值，而不一定是带隙电压的整数倍。 第1 6 页 塑望奎兰堡主堂垡堡兰苎三兰堕堕苎堡皇垦塑些竖里鉴 第三节现有的c m o s 带隙基准电压源 现有的c m o s 带隙基准电压源，一般分为电流密度比补偿型、弱反型工作型和利用多晶 硅栅功函数差等三种形式。电流密度比补偿型是利用工作在相同电流而不同电流密度的两个 相同晶体管的正向基射结电压差的正温度系数来补偿双极型晶体管基射结电压的负温度系 数，以得到低的温度系数乃至零温度系数的输出电压；弱反型工作型是利用m o s 器件在弱反 型区内饱和漏电流的指数特性，产生与绝对温度成正比的p t a t 电压，来补偿双极型晶体管基 射结电压的负温度系数，从而获得稳定的基准输出电压；多晶硅栅功函数差型则是借助反型 重掺杂硅栅m o s 管的阈值电压差来构成的。以下将分别就这三种形式的c m o s 带隙基准电 压源的典型电路进行分析论述。 一电流密度比补偿型c m o s 带隙基准电压源 图2 5 电流密度比补偿型c m o s 带隙基准电压源 图2 5 是一个运用p 阱c m o s 工艺制成的c m o s 带隙基准电压源。线路中加入了运算 放大器的输入失调电压( s ) 。假设晶体管q ，和q 2 的发射极面积分别为a 日和a e 2 ，并且先 假定为零，则r i 上的电压降为 k k k 巧疃m 哆s l m h 铿1 ) c z 。s ， o i 2 o n 2 第1 7 页 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 同时，由于运算放大器的作用，下述关系式成立： ，1 r 2 = 1 2 r 3 于是图2 5 中的基准电压可以写成 ( 2 3 4 ) = ：“五：= ：+ ( 鲁) ( 23 5 ) 将式( 2 3 4 ) 代入式( 2 3 3 ) ，再将所得结果代入式( 2 3 5 ) 可得 吨：+ 鼍- v r l n ( 毪) c zs e ， 可以证明，如果输入失调电压不为零，式( 2 3 6 ) 应为 = ：- ( 1 + 鲁) + 鲁1 1 1 鹾r 2 a e l ( ，一静】 c z - 。，) 显然，运算放大器的输入失调电压应该很小，而且不受温度变化的影响，这样才能保证 圪。，的性能不致降低。 该带隙基准电压源的温度系数能低达5 0 p p m 。c ，然而有些重要的二次效应必须考虑到。 上面提到的运算放大器的输入失调电压吃就是这些效应中的一个，另外的误差来源还有电阻 的温度变化，q 。和q 2 的基区电阻的不匹配等等。 由式( 2 3 7 ) 可以看出，有可能导致基准源输出电压的相当大的误差。此外，吃本 身还是温度的函数，它对基准电压源的线性稳定性及温度稳定性都会产生不良影响。因此， 消除圪是提高该基准电压源性能的关键。 二弱反型工作型c m o s 带隙基准电压源 弱反型工作型c m o s 带隙基准电压源之所以出现较晚，主要是对p 1 ：a t 电压源认识的困 难。该基准源的设计原理是：利用m o s 器件在弱反型区内饱和漏电流的指数特性，产生与绝 对温度成正比的电压源以补偿双极型晶体管基射结电压p k 的负温度系数，从而获得温度稳定 的基准电压e f 。实践证明，由弱反型区工作的m o s f e t 所组成的c m o s 电路，其功耗非 第1 8 页 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 常低。在国外，甚低功耗的基准源( 典型功耗均为几几十x w ) 几乎都采用c m o s 技术。 1 弱反型区工作的m o s 管特性 弱反型区是指衬底( 半导体) 表面能带发生弯曲，其表面势介于本征和强反型之间的一 种工作状态。在n 沟增强型m o s 管中，当 或s = 0 时，则处于截止状态，但由于 栅氧化层中正电荷的作用，沟道中仍有少量可动电荷，能够提供一定的漏电流。这种处于弱 反型区的漏电流称为“亚阈值”电流。这时，m o s 管的转移特性属于指数特性，m 随p 裔指 数增加，但当v o s 增加到一定值后，i o s 偏离指数，进入强反型区。由于亚阈值电流的存在， 使m o s 管不能锐截止，对逻辑电路而言，这是不希望的。但是，在模拟电路中却得到很好的 应用。在集成电路的集成度不断提高的情况下，降低功耗已成为突出的问题。因此，对m o s 管在亚闽值区的小电流条件下工作的研究越来越被重视。 2 弱反型工作型c m o s 带隙基准电压源电路 由于工作在弱反型区的m o s 管，其特性类似于双极型，因此，完全可将双极型模拟电路 的一些特点移植过来。在c m o s 技术中，就是利用m o s 管在弱反型区内饱和漏电流的指数 特性，由此组成最基本的p t a t 电压源。 图2 - - 6 中m i 、m ”m 5 三个n 沟增强型m o s f e t 构成第一组镜像恒流源，且其均相 同，而几何形状w l 不同；m 2 、m 4 两个p 沟增强型m o s f e t 构成第二组镜像恒流源，并与 第一组恒一式惭蝴黼益( 糌矧，由 于电阻r ，的负反馈作用，当环路中电流增加到使环路增益降到1 时，环路达到了平衡。这时， 电阻r 1 上建立起稳定电压珞1 。 假设m 1 m 5 管都工作在弱反型区，并确保m l 、m i 两管进入饱和。当m 2 、m 一两管的栅 压相等时，有 22 4 ( 23 8 ) k 6 4 = ，4 r 1 = 1 ( 2 3 9 ) 由弱反型区工作的e l 沟道增强型m o s f e t 漏电流的公式得到 第1 9 页 浙江大学硕士学位论文 第二章带隙基准电压源的研究现状 m 2 m 图2 6 弱反型工作型c m o s 带隙基准源 量；堕生。w 咋：旦丛 j w 江4w 3 汜3 ( 2 4 0 ) 经整理，得到比。的表达式为 ”了k t - n 盼耠 ，黯粉o 川 上式表明，。仅仅与热电压( 等 和器件的几何形状w 几有关，而与斜率因数无关。 换句话说，i 仅仅与温度t 成正比，即为p t a t 电压源。很显然t 流过电阻r 1 的电流，r i 也 与温度r 成正比，则有 k = 等= 嚣唔笼糌， 此时，恒流源m 5 管的输出电流为 ( 2 4 2 ) 驴器址r 1 旦r l q 糌糌粉 眩a 。， 3 厶厶。厶厶7 第2 0 页 浙江大学硕士学位论文 第二章带隙基准电压源的研究现状 上式亦说明，5 也与温度t 成正比，这就是p t a t 电流源。 在上述基本的p t a t 电压源或电流源的基础上，加上衬底集电极n p n 晶体管q 。( 基极短接) 和电阻r 2 ，就构成如图2 - - 6 所示的c m o s 带隙基准电压源。该基准源的输出基准电压e f 可由下式表示 y m f = v b e + r t ie 晶体管q 。的基射结电压可以表示为 ( 2 4 4 ) = ( 一号) + ( 号) + y 等n 等 c z t s ， 将式( 2 4 3 ) 和( 2 4 5 ) 代入式( 2 4 4 ) ，得 等鲁黔m 丽w 4i l 4 丽彬i i 1w 寺吡c 扣等- 每 ( 2 4 6 ) r 一晶 = 0 ，得到零温度系数的条件为 鲁糌i , k 糌i , 糌l ，= 老c 吲州h n 争r 1 3、2 3 7 七疋叫 一 r 将式( 2 4 7 ) 代入式( 2 4 6 ) ，得 = + 等( 1 + 一n 争 压。 ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) 上式说明，在丁= 兀时，c m o s 带隙基准源的零温度系数基准电压也接近于硅的带隙电 为确保该基准源的正常工作，必须做到：在整个工作温度范围内，即使在额定的最高温 度下，也应满足器件在弱反型区内的工作条件：必须减小泄漏电流( 特别是n 沟器件) ，以防 止这些电流成为高温误差的主要来源；为了消除横向扩散产生的误差及确保电流镜的正常工 作，各个器件的输出阻抗应足够高( 通常采用长沟道器件) 。 第2 l 页 等 令 浙江大学硕士学位论文第二章带隙基准电压源的研究现状 三多晶硅栅功函数差型c m o s 带隙基准电压源 在采用硅栅工艺的场合，可以借助反型重掺杂硅栅m o s f e t 的阈值电压差来构成c m o s 带隙基准源。通常的硅栅为n + 型重掺杂，而c m o s 工艺则提供了制作p + 型重掺杂硅栅的方 便。假若两个m o s 管的几何形状和沟道类型完全相同，但多晶硅栅的掺杂类型不同，即分别 为p + 和n + 。这样，两个m o s 管的饱和漏电流一栅压的特性曲线之间存在一个与偏置电流无 关的恒定电压。若假定氧化层的电荷相同，则两者的栅压之差p 岳仅与p + 和n + 多晶硅栅之 间的功函数有关。在c m o s 技术中，多晶硅层的掺杂浓度很高，以增大低电阻率的横向接触 面。假定两者栅压之差近似等于硅的带隙电压，a s 与温度之间的关系可采用经验公式表示 留) 吨一是 ( 24 9 ) 式中f 是常数，其值为7 0 2 1 0 。v 足 亭是常数，其值为1 1 0 9 k 对于一级温度补偿而言，实际硅的带隙电压o 再加上正比于绝对温度的电压，即可达 到由外推法得到的绝对零度时的硅的带隙电压值( 1 2 0 5 v ) 。因此，该类基准源的基准电压只 取决于两个相反掺杂的硅栅m o s 管的平带电压之差，并且完全与c m o s 硅栅工艺技术相兼 容。 第2 2 页 浙江大学硕士学位论文 第二章带隙基准电压源的研究现状 第四节c m o s 带隙基准电压源白q 技术进展 自上述各类c m o s 带隙基准电压源问世以来，随着设计技术的不断进步和生产工艺的不 断发展，它们的各种缺陷被逐渐地认识和克服，基准源的性能也相应地得到了较大幅度的提 高和改善。尤其是近几年，i t 行业的迅速崛起为基准电压源开拓了更为广泛的应用空间。以 下对近年来c m o s 基准电压源的设计技术进展作一简要概述。 一低温度系数 由本章第一节可知，带隙基准电压源获得低温度系数的原理是利用k 巧( 即咋r ) 的 正温度系数去补偿p k 的负温度系数，即所谓的阶线性补偿。但这其中，巧与t 是成线性 关系，而p k 却与t 存在着复杂的函数关系【3 5 】，其中包含温度的高阶项。因此，两者不可 能完全补偿，一阶温度补偿存在着一定的局限性，近年来的文献报道，运用一阶补偿所能达 到的温度系数在2 0 6 0p p m c 。为进一步降低温度系数，必须对温度进行高阶曲率补偿。相 关的研究表明，温度的二次项主要分布在输出基准电压的非线性和e 与集电极电流1 c 的对 数关系中，因此出现了多种对温度进行高阶补偿的方法，其中包括直接将线性化【3 4 】和 增加丁的高阶项 3 3 】等技术。而最常用的就是进行温度的二阶曲率补偿，即增加p t a f 项。 但在具体的电路实现时，却存在着许多困难，如补偿电路复杂、占用大量的芯片面积、功耗 增大、c m o s 运放的失调产生的影响等等。因此将它用作数模混合系统的片上电源是不合适 的。 为适应小尺寸、低功耗的模拟电路发展趋势，近年来，出现了运用双极型晶体管的电流 增益b 的温度指数特性对温度进行曲率补偿的技术【2 4 】。该技术利用双极型晶体管的基极电 流作为补偿电源，无需额外电路产生偏置电流，因此节省了大量的面积和功耗；同时，温度 稳定性大大提高。该电路运用i s u mb i c m o s 工艺实现，温度系数低达3 5 p p m c ( 0 7 0 c ) 、 8 9 p p m c ( 一5 5 1 2 5 c ) ，电源电压5 v ，功耗0 3 7 m w ，芯片面积2 9 0 x 1 5 0u r n 2 ，电源抑制 比( p s r r ) 7 3 d b 。 二低工作电压 第2 3 页 浙江大学硕士学位论文 第二章带隙基准电压源的研究现状 由于系统集成中主流制作工艺的尺寸越来越小，工作电压越来越低，亚微米以下与数字 电路同步低电压工作的模拟电路的新结构研究，在系统集成研究中成为关注的主要焦点之一。 近年来，电池供电的便携式系统的要求亦使设计低工作电压的模拟电路的要求日益迫切。它 要求设计在同一基片上的数字和模拟电路都工作在1 5 v 以下的电压。这一趋势就给模拟电路 ( 比如运放、滤波器和数据转换器等) 的设计带来了挑战，因为m o s 管的阙值电压不会等比 例下降。另外一个重要的基本模块就是基准电压源，已经有许多方法获得了低工作电压的精 密基准电压源，其中包括使用动态阈值m o s 管( d t m o s ) 1 2 2 】。然而实际上，许多基准源 的工作电压无法降低主要是受所使用的运放的输入共模范围的限制，这时又相应地出现了使 用互阻抗运放的技术【1 8 】，从而避免了上述限制。该电路运用1 2 u r nc m o s 工艺实现，工作